水冷背板在云计算机架中应用的可行性探讨

钟志鲲

（中国电信上海公司电源空调中心）

0 引 言

云计算现在炙手可热，但云计算的定义却众说纷纭。对于运营商来讲，云计算是一种商用计算模型，它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，使各种应用系统能够根据需要获取计算能力、存储空间和信息服务。

云计算系统架构分为服务系统和管理系统两大部分。在服务方面，主要以提供用户基于云的各种服务为主，共包含3个层次：基础设施即服务IaaS、平台即服务PaaS、软件即服务SaaS。在管理方面，主要以云的管理层为主，它的功能是确保整个云计算中心能够安全、稳定地运行，并且能够被有效管理。对于一个优秀的云系统，一定是从基础设施开始的，而动力系统，又是IaaS的重点，是可靠的高容量电源和良好的散热途径。

散热问题一直是机房安全稳定运行的关键和难点。对于目前应用的空调系统而言，风仍然是机房载冷的主体，因此问题就变得复杂，甚至会成为云机房发展的瓶颈。

1 云计算机架的容量问题

在云计算的潮流下，云计算数据中心具有超大规模和降低运维成本等特点。迫于市场竞争的压力，云计算的机架必须是高密度。由于目前并没有规范性的要求，因此各运营商所建设的云机房容量也不一致，就目前的实际情况看，8～10 k W／机架是起始点，32 k W甚至更高是目标点。

由此，云机架的热密度已经完全颠覆了传统的观念：例如，2 k W、3 k W、4 k W或2 k W、4 k W、6 k W等低、中、高密度的分法。热密度不大于6 k W／机架、6～12 k W／机架、大于12 k W／机架将成为新的三段热密度门限。

在十多年IDC机房的维护过程中，大量的经验和教训告诉我们，散热是数据机房的一个难题，也是必须解决的问题，即使在低密度机房，问题都很突出。而高密度，会使问题变得更尖锐和难于解决。

2 载冷问题

传统机房一般使用风为直接载冷，这种情况目前还没有很大的改观，主要是服务器目前还是使用风扇散热的。但是，从输送冷量的方式上分析，水输送冷量还是有很大的优势的。以专用空调10KJ／KG的冷风比计算，1个6 k W的机架，每小时需要2 160 kg的空气，折合1 670 m3／h，以风速3 m／s计，需要0.155 m2的通风截面。若以水来载冷，6 k W冷量需要5℃温差的水1.04吨，DN40的水管在2 m／s的流速下就可以满足。因此水系统只需要风系统的1%～1.5%的通道截面即可，可以节约大量机房空间。

而在载冷物质驱动能耗方面，气流是需要空调的风机作为驱动源的，而水系统是水泵作为驱动。一般风系统，每输送15 k W的冷量，就会需要1 k W的风机功耗。水系统的输送能耗会低一半，600 k W的冷量大约20 k W的电机驱动的水泵即可，折合30 k W／1 k W。并且，风机马达的热量是耗散在室内的，功率将全部需要冷量充抵，水泵的电机只是通过联轴器把机械功传递给水系统，电机的发热是隔绝在冷水系统之外的。

在利用自然冷源方面，虽然直接利用室外空气是最直接的、最高效的方法，但直接的质交换使灰尘、湿度的控制难度比较大，而且需要对增加不少通风设备、开凿大面积的墙洞。而利用水系统，只需要改变外围管路，可以直接利用冷却塔供冷，即使考虑水质问题，也只需要增加干式冷却塔即可，无需改动室内机组，避免了灰尘、加湿等难题。

3 计算机爱好者的实践

从奔腾5的CPU芯片应用开始，计算机的爱好者就开始进行原始的DIY方式，解决CPU发热量大且速度慢的问题，用水冷的散热器替代原来的金属铝散热片＋风扇的方式，取得了很好的效果，甚至可以将CPU的主频提高30%以上，而工作温度比设计问题还低（见图1）。

后来，国外的一些厂商，研制了大量的高品质的液冷散热器，象 KOOLANCE、Heat Killer、Bitspower等（见图2）。对于提高液冷系统的安全性，起到了很好的推动作用，也为在大型数据机架上使用奠定了基础。多达数百万台的应用表明，只要采用质量可靠的部件，安装（尤其是接头部分）牢固，漏水的几率非常小，并且由于系统水量小，漏水也很少造成严重伤害。

图1 计算机的水冷系统

图2 各种CPU冷却头

4 数据机架应用液冷的方式

液冷是空气冷却能力的几十到上百倍，而且由于液体的比热容大，热稳定性很好，能对发热部件提供相对恒定的温度环境。因此，液冷衍生出几种运用方式：

（1）冷冻水专用空调方式：集中制备冷冻水，专用空调利用表冷器冷却机房回风，用专用空调风机送风冷却设备。这种方式离热源最远。

（2）列间空调方式：在每列服务器机架中，夹杂几个冷冻水列间空调，机架排风面为列间空调的进风口，机架的前面板方向为列间空调的送风口，列间空调使用多台小风机作为风路循环驱动。这种方式使冷水更靠近热源，依旧使用空气载冷，但风的方向要在很小的范围2次转向才能完成气流循环，因此不是很合理，容易形成乱流（见图3）。

图3 列间空调方式

（3）水冷背板方式：在机架背后直接悬挂水表冷器，无额外风机驱动，仅靠服务器内的风扇驱动气流，热量几乎是在产生点被直接对冲，机架总排风已基本不含高热。

（4）液体包方式：一般是液体包与机架整体设计，服务器处于液体冷却板的包裹之中，对已经在用的机架很难改造。液体包方式可以采用封闭式机柜，柜中有一套封闭的空气循环系统，这套空气循环系统与机房内环境相对独立。

液体直接冷却芯片：芯片的散热翅片改为水冷头，液体直接接入水冷头。目前很少有服务器能直接使用液冷。

图4为各种冷却方式的适用情况，水冷背板的适用范围广，可以应用于6～30 k W／机架的密度，而且无需外加风扇。

图4 各种冷却方式适用情况

5 水冷背板＋冷水分配器的运用方式

图5 冷水机＋冷水分配器方式

图6 机架上改造的水冷背板

冷水机组制备冷冻水，供给冷水分配器（CDU）（见图5～图7）。冷水分配器需要起到3个主要作用：⑴将大系统的水压降低，一般用板式换热器，类似电源中的变压器。⑵调节一次侧和二次侧的流量，以控制二次侧的水温高于机房露点温度，防止结露。⑶合理分配二次侧各支路的流量，适应各机架的热负荷。

图7 冷水分配器CDU

设计优良的CDU在进水、出水、水泵等都为双路由，确保系统在使用期间可以进行在线维护、维修。在二次侧管路全部使用高压部件，但运行时保持低压力、小水量的水系统，同时具有完备的漏水检测系统，使机房免于水患。一般在二次侧仅有几十升的水量，一个标准背板的水容量只有2～3升。

6 水冷背板的应用效果

在实验环境中，服务器的排风口最高温度达43℃，即使与其他机位的气流混合，在机架背后60 c m处，仍达到31℃。利用传统专用空调方式制冷，空调机组就必须将31℃的回风冷却，再通过风路送到机架进风处（见图8）。

图8 实验环境中机架排风温度

图9 使用冷水背板后机架排风温度

而使用了冷水背板之后，机架排风温度明显下降，实验中得到了平均温度下降到19℃，甚至低于机架的进风温度。此时机架已经不是热源，对机房而言，可以认为是一台“小空调”（见图9）。

8 结 语

随着云机房的出现和发展，高热密度将成为机房的潜在危险，在单机架的容量超过6 k W后，传统的气流冷却方式很难解决散热问题，水冷背板将是解决这一难题的最佳辅助方法之一。而且，水冷背板在现网的改造是非常方便的。